河北五維航電數字化管理升級 ——特種合金材料零部件數字化協同制造
河北五維航電科技股份有限公司是一家專注于特種合金材料零部件的技術研發與生產制造的企業，主要客戶有哈爾濱汽輪機、北重汽輪機、哈爾濱汽輪機、美國通用電氣、法國阿爾斯通、奧地利安德里茨、德國曼恩等。公司核心技術是以特種合金材料的技術開發以及特種涂層技術為基礎，專注于火電與工業汽輪機、燃機、水電、核電等高端能源裝備應用領域。
公司客戶非常優質，訂單多，但是公司整體效益低下。主要面臨的問題是訂單生產周期長，客戶訂單無法按時交付，內部生產計劃組織混亂，產能不足，資源整體利用率差，同時特種合金材料零部件的定制化生產與精密加工對企業的協同設計、協同生產、協同供應鏈提出了更高的要求，大量的研發設計、材料檢測、供應鏈協同、生產加工數據需要記錄、分析、反饋、決策。
2017年7月，五維航電在張家口市經信委的積極推動下與煙臺恒遠智能科技、中國電信簽訂戰略合作協議，正式啟動數字化管理轉型升級項目，重點推動企業內部的數字化制造協同為目標，優化企業內部資源配置，縮短產品制造周期，加快制造速度，降低制造成本。
煙臺恒遠智能科技有限公司作為項目的主要實施單位，致力于數字化工廠的頂層設計與工業軟件的應用開發，為客戶提供整體的數字化工廠解決方案與服務，核心技術與產品有生產設備聯網與數采技術、數字化車間管理應用平臺Dssplat、基于云計算的工業APP微應用等。
一、項目概況
五維項目基于電信工業PON網絡與恒遠智能科技的設備聯網數采技術與數字化車間Dssplat產品，建立由訂單開始-訂單統籌-訂單執行-訂單交付完整的數字化制造管理協同平臺，實現了端到端的數據集成與應用。
1. 項目背景
1) 企業背景
五維航電發展目前面臨以下幾個突出問題和潛在需求：
a) 產品定制化需求程度高，但工廠內部整體響應速度滿足不了客戶交期。
b) 計劃統籌與組織能力弱化，造成各生產工序脫節，生產協同性差。
c) 車間生產加工與計劃脫節，生產數據不透明，潛在浪費嚴重，生產成本居高不下。如無法對設備、人員的生產效率進行有效評估，管理精細度低。
2) 行業背景
五維在特種合金材料零部件制造行業客戶優質，新能源新材料領域有核心的技術優勢和競爭力，急需對公司的運營與管理進行升級提升，以便后續公司在核電與海工領域、海外市場的戰略部署。
3) 項目可行性與資源優勢
五維的產品特性與材料技術決定了工廠生產以設備加工為制造主體，所有的人員、物料、方法、工具等生產要素都要經過以設備為單元構成的加工中心，并且材料研發設計使用大量先進的熱處理、材料檢測等精密儀器與設備，為項目的智能聯網和數據采集提供了物理基礎。
2. 項目簡介
數字化協同制造項目整體規劃以底層的工業級網絡搭建與設備數采為技術支撐，以各生產要素集成的數字化工位搭建為系統核心，車間級綜合數字化管理平臺為數據應用載體，以工業級微應用APP為數字化系統的重要延伸。主要分為以下幾個實施階段：
圖1 數字化協同制造項目規劃
1. 工業網絡：以電信的工業PON網絡為基礎進行車間級工業網絡的整體升級，搭建設備運行與數采的網絡基礎設施。
2. 數據采集：應用恒遠科技的設備數采技術，根據不同的設備接口與通訊協議，設計數采方案，EverMonitor進行設備級的數據采集。
3. 數字工位搭建：集合設備加工的人員、物料、工具、作業方法、技術圖紙等生產要素數字化，結合設備自身狀態監控、加工參數采集，形成完整的工位級數字化管理生態。
4. 車間級數字化管理平臺：綜合計劃管理、品質管理、工藝管理、物料管理、人員管理、效率管理等多個模塊及功能應用，實現對車間的全方位的數字化升級管理。
5. 工業級微應用APP：針對五維特定的應用場景，開發移動端的微應用，快速有效的解決實際問題。
3. 項目目標
1) 制造協同化
多樣化的產品形態，導致整個制造鏈條信息冗雜，管理難度高、生產成本高、生產速度與效率低下，通過數字化平臺，將設計-采購-制造-倉儲-物流-交付-服務等各個環節打通，進行數據集合與應用，實現協同設計、協同制造及供應鏈協同。
2) 產品智能化
裝備制造的關鍵材料、核心部件的設計、研發、測試的大數據采集、分析，如材料研發設計參數、監測評價數據等；產品智能化遠程運行參數監控與預警；
二、項目實施概況
五維航電數字化管理升級項目一期主要以數字化協同制造為目標，重點是企業對內部制造過程進行數字化升級改造。
1. 項目總體架構和主要內容
五維協同制造數字化平臺總體架構主要分為：流程層、設備聯網與數采層、數據中心模型層、應用平臺與微應用層。
（1）流程層架構設計
首先在系統進行流程建模仿真與模型設計，對公司整體業務進行價值流分析與設計，識別系統TOC流程點與缺失項，進一步定義數字化匹配的標準業務流與工藝流、過程流，進行由上而下的公司級、工廠級、車間級、工位級的流程標準化。
（2）設備聯網與數采層
基于工業以太網、工業總線等通信協議，4G網絡、NB-IOT等無線通信協議將設備接入網絡；通過EverMonitor采集設備進行加工參數、設備狀態、故障分析與預警等實時數據的采集，內部集成了多種采集協議，兼容ModBus、OPC、 CAN、 Profibus 等各類工業通信協議和軟件通信接口，能夠實現數據格式轉換和統一，另一方面基于盒子的內置高性能芯片與處理系統，能夠將數據從邊緣側、傳輸到云端，實現數據的遠程接入。
（3）數據中心模型層
所有采集的數據會存儲到數據中心模型集成庫，除了存儲功能，核心功能是封裝了幾百種工業技術、管理技術、機器學習、數理統計的算法，實現機理建模，能夠對歷史數據、 實時數據、時序數據進行聚類、關聯和預測分析。如五維集成了更多的特種材料的設計仿真算法模型、定制化材料加工的流程算法模型，實現對現有資源的優化配置。
（4）應用平臺與微應用層
基于五維特定的研發設計端與生產制造端的問題，建立一體化的數字化車間管理應用平臺，實現端到端的數據集成與應用。
1) 搭建數字化Dssplat平臺，建立由訂單開始-訂單統籌-訂單執行-訂單交付完整的數字化制造管理協同平臺。
2) 基于關鍵工序與瓶頸設備，集成人員、設備、物料、工具、方法等生產要素建立以設備加工中心為核心的數字工位。
3) 基于特定場景，深度挖掘數據價值與用戶行為分析，開發移動端的工業APP微應用服務，如異常管理微應用、設備智能管家微應用、訂單執行管理平臺微應用等。
4) 全面的可視化運營決策數字化管理平臺與移動領導駕駛艙應用。
2. 網絡互聯架構
工業PON網絡系統是中國電信立足于構筑新一代智能通訊網，在對傳統工業交換機系統研究基礎之上，結合最尖端的無源光網絡通訊技術的發展，創新出的一套安全、可靠、融合、先進的綜合解決方案。
項目通過工業PON網絡系統為企業構建雙冗余容錯環網，確保生產網絡出現連接中斷的情況時，立即啟用另外一條通路，使網絡通信的可靠性大大提高。
工業PON網絡在物理層采用了PON技術，在鏈路層使用以太網協議，利用PON的拓撲結構實現了以太網的接入。
車間現場采用移動終端掃描二維碼方式采集數據，需要通過無線網絡接入，但是車間現場環境復雜，電磁干擾密布，為了滿足車間現場對生產數據采集的穩定性需求，采用工業級全向無線AP，高密負載均衡，所有終端自動被接入到附近最優AP，保證系統穩定運行。
3. 數據架構和應用
數據是企業未來核心資產，數據就是價值，數據架構決定企業能否將數據有效采集和利用。
我們將數據分為三大類，設備實時數據、生產實時數據和業務數據。其中，設備實時數據由系統通過設備接口和協議自動采集，生產實時數據由生產過程中的參與人員通過二位碼掃描采集，業務數據由生產管理人員通過系統Web端頁面操作錄入。
設備實時數據是設備運行過程中產生的數據，包括設備運行狀態、故障代碼、核心參數等，由系統通過設備協議自動采集，采集頻率高，數據量大。所以我們在采集終端進行了預處理和格式化，并用Redis做緩存控制，減少通信中斷對數據采集造成的影響。
數據按照格式轉發到服務器端后，服務器會對數據進行二次清洗，將業務相關數據存入業務數據庫，為生產管理和協同提供支持。業務數據庫使用用開源數據庫PostgreSQL搭建，輕量化、低成本，完全滿足生產需要。
其他設備數據將會被實時轉存到非關系型數據庫中，進行持久化存儲，為大數據分析建立基礎。此數據庫用MongoDB進行管理，MongoDB也是開源數據庫技術，支持高并發寫入和分布式存儲，性能優越。
三、下一步實施計劃
1.智能化產品
特種合金材料零部件的使用環境要耐高溫、耐高壓、耐腐蝕，產品的使用壽命、產品的附加值高，零部件本身的損耗對大型裝備的運行性能影響大，如核電設備對零部件的使用狀態要求較高，但缺乏必要的監控手段。后續會針對一部分高端產品進行物聯網技術應用和智能化改造，如高端合金材料智能螺栓，通過耐高溫特種傳感器技術進行遠程數據監測與控制，實時對零部件的運行狀況數據進行預警，提高維保的效率與整體設備的穩定性。
2. 智慧供應鏈
通過物聯網、服務計算、云計算等信息計算與制造技術融合，構成智慧供應鏈平臺，實現軟硬件制造資源和能力的全系統、全生命周期、全方位的感知、互聯、決策、控制、執行和服務化，進而實現人、機、物、信息的集成、共享、協同與優化。
3. 行業大數據平臺
進行行業數據與資源整理，建立特種合金材料的研發設計大數據平臺，為行業內的特種材料企業提供數據仿真模擬、數據存儲、大數據分析服務。
通過物聯網技術對特種合金材料零部件產品的智慧化改造，逐步建立核定領域的零部件運維監控中心，為終端用戶提供遠程運維與監測預警服務，降低企業運維成本。
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
（1）設備聯網與數采技術應用
基于恒遠科技EverMonitor的設備聯網與數采技術，設計多協議、多設備的標準化集成采集技術方案。如智能監控預警，設備聯網并實時監測材料車間的冶煉設備、熱處理設備、機加工設備監控爐溫曲線、轉軸與進刀速度等工藝參數，實現預警功能。
（2）工業級APP微應用
基于五維的數字化管理平臺，結合客戶瓶頸工位與關鍵問題，深度挖掘數據價值與用戶行為分析，開發應用了多個工業APP微應用。
如異常管理數字化APP，可解決異常頻發、管理鏈條長的問題；設備智能管家APP，解決設備生命周期管理數字化的問題等等。
（3）行業數字化平臺解決方案
形成了特種合金材料零部件制造行業的標準數字化制造端到端的應用解決方案，實現了設備、人員、物料等資源要素的.橫向網絡化集成，同時打通了由設計研發到生產制造的縱向集成。
如設計數字化仿真應用，合金材料的配方研發實現數字化仿真模擬應用，建立試樣工藝參數模型，并進行3D畫面動態演示與數據算法簡易化配置。如檢測評價智能分析應用，對檢測設備進行數據采集，實現智能化檢測與評價，建立檢測評價中心大數據庫。
2. 實施效果
（1）制造速度提升
通過訂單的數字化車間管理平臺，減少研發、設計、工藝、采購、生產之間的信息不協同問題，提高計劃組織的準確性，產品的平均生產周期由 5~6 個月左右縮短至 1~3個月；產品的準時交付率由 47%提升至 75% ；
（2）生產成本下降
通過生產制造的實時數據采集，產品標準工時數據可以實時分析，并生成人均產出和效率報表；同時，設備數字工位的設備狀態、停機故障時間、任務與產能的大數據分析，實時核算設備OEE；報廢率、不良率等指標可視化，制造成本數據能夠實時核算與分析、預警，產品的單位制造成本降低 5%~15% 。
（3）效率提升
制造數據的可視化與領導駕駛艙的搭建，為運營決策提供大量的數據支撐，并為管理者提供KPI管理實時工具，降低管理難度，提升管理效率，異常問題關閉率由 57%提升至 94%。
聲明
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